ecara perlahan namun sangat pasti, kita terus menghabiskan energi bahan bakar fosil yang hingga kini masih tersedia sehingga perlu mencari sumber energi alternatif. Sumber energi alternatif yang dimaksud termasuk pemanfaatan biomassa berbasis tanaman, tenaga air, pasang surut, gelombang dan angin, penangkapan pasokan energi matahari dan panas bumi, dan tenaga nuklir. Saai ini, sistem energi surya biologis yang telah dikembangkan dan menjadi kebanggaan atas kemajuan bioteknologi di bidang sumber daya energi akan membuka jalan lebar menuju penanganan krisis energi yang berimplikasi pada realitas peningkatan ekonomi global. Keterbatasan sumber daya bahan bakar fosil yang semakin menipis dan menjadi semakin mahal juga membuka peluang untuk mengembangkan teknologi konversi residu organik menjadi bahan bakar.
Ada tiga arah utama yang dapat ditempuh untuk mencapai pasokan biomassa sebagai opsi sumber bahan bakar: (1) budidaya tanaman yang menghasilkan energi, (2) pemanenan tumbuhan alami, dan (3) pemanfaatan limbah pertanian dan organik lainnya.
Konversi biomassa yang dihasilkan menjadi bahan bakar yang dapat digunakan dapat dilakukan dengan cara biologis atau kimiawi atau dengan kombinasi keduanya. Dua produk akhir utama yang akan terbentuk adalah metana atau etanol meskipun produk lain dapat muncul tergantung pada biomassa awal dan
S
proses yang digunakan, misalnya bahan bakar padat, hidrogen, gas energi rendah, metanol, dan hidrokarbon rantai panjang (Srivastava et al., 2020; Viele et al., 2020; De Blasio, 2019; Collins et al., 2015; Michaelides, 2012; Hallenbeck, 2012;).
Meskipun biomassa pada akhirnya hanya dapat memasok sejumlah kecil kebutuhan energi dunia, namun nilai keseluruhannya sangat besar. Di beberapa belahan dunia, seperti Brazil dan negara-negara dengan kondisi iklim serupa, biomassa telah dan akan dieksploitasi dan dimanfaatkan secara lebih luas.
Sekalipun masih dapat diidentifikasi beberapa kerugian ketika membandingkannya dengan batu bara atau minyak, tetapi fakta bahwa biomassa berbasis tanaman bersifat terbarukan serta tidak harus menuntut penelitian lebih lanjut. Pada waktunya, biomassa akan menjadi jauh lebih mudah tersedia dan berguna secara ekonomi sebagai sumber energi bagi umat manusia.
Energi untuk keperluan industri, komersial dan perumahan, pembangkit listrik dan transportasi terutama dipasok oleh bahan bakar fosil (batu bara, gas dan minyak) dan tenaga nuklir. Saat ini disinyalir secara luas bahwa perubahan iklim sangat terkait dengan peningkatan gas rumah kaca di atmosfer, dan bahwa aktivitas manusia terutama melalui pembakaran bahan bakar fosil merupakan faktor penyumbang utama atas fenomena tersebut.
Salah satu gas rumah kaca utama, yang menyumbang 65%
dari pemanasan global, adalah karbon dioksida. Bahan bakar fosil adalah energi yang tersimpan dari ribuan tahun lalu yang telah dibakar umat manusia secara ekstensif selama beberapa abad dan lebih subur dalam beberapa dekade terakhir. Ketika bahan bakar fosil dibakar untuk energi, karbondioksida yang telah terkunci selama bertahun-tahun dilepaskan ke atmosfer yang akan sangat berkontribusi dalam menambah gas rumah kaca secara global. Sebaliknya, ketika bahan tanaman saat ini dibakar, karbon yang terkunci dalam biomassa untuk waktu yang relatif singkat dilepaskan kembali ke atmosfer sehingga mendaur ulang karbon dioksida. Akibatnya, sistem ini relatif netral karbon, tidak seperti pembakaran bahan bakar fosil.
Emisi global karbondioksida dari bahan bakar fosil selama lima tahun pertama milenium ketiga ini empat kali lebih besar daripada sepuluh tahun sebelumnya, terlepas dari keputusan Perjanjian Kyoto untuk mengurangi emisi karbon dioksida. Kadar karbon dioksida di atmosfer dunia adalah 380 ppm, sekitar 100ppm lebih tinggi daripada sebelum Revolusi Industri 200
tahun lalu. Terungkap bahwa jika tingkat karbon dioksida meningkat menjadi sekitar 450-500 ppm maka akan terjadi perubahan iklim yang tidak lagi dapat diubah (Srivastava et al., 2020; Viele et al., 2020; De Blasio, 2019; Collins et al., 2015;
Michaelides, 2012; Hallenbeck, 2012;).
Masalah energi telah menjadi obyek perhatian global dan telah terjadi peningkatan yang nyata dari kepentingan publik dan politik. Permintaan energi diperkirakan akan meningkat dua kali lipat antara tahun 2000 dan 2050 sebagai akibat dari peningkatan populasi global dan pertumbuhan produk domestik bruto. Akibatnya, permintaan dan pasokan energi masa depan menjadi masalah yang semakin krusial bagi negara-negara di seluruh dunia.
Sumber energi bahan bakar fosil telah menjadi sumber kehidupan semua peradaban industri, dan telah memberikan kontribusi besar terhadap kepedulian terhadap gas rumah kaca saat ini. Sementara sebagian besar negara industri sekarang berusaha untuk mengurangi emisi karbon dari aktivitas produksi, bahkan sekarang diwajibkan untuk membantu negara berkembang yang berusaha untuk meningkatkan standar hidup dengan membantu mereka untuk menghentikan penggunaan teknologi energi yang tidak tepat dan tidak efektif saat ini yang memicu perkembangan industri di negara-negara tersebut, tetapi menggadaikan lingkungan dalam prosesnya (Chang, 2020; Viele et al., 2020; De Blasio, 2019; Gupta & Tuohy, 2013; Lee, 2013;
Pogaku & Sarbatly, 2013).
a) Fotosintesis: sumber energi tertinggi
Di seluruh dunia, tanaman dan ganggang melakukan reaksi kimia yang sulit dieksperimenkan di laboratorium, karena tanaman tersebut menggunakan energi dari sinar matahari untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Enzim yang bertanggung jawab atas reaksi pemisahan air adalah reduktase foto-oksidase. Di dalam sel fotosintesis, hidrogen akan bergabung dengan karbon dioksida dari atmosfer untuk menghasilkan segudang senyawa organik yang mengandung karbon termasuk gula, pati, protein, dan lain-lain, yang menjadi tumpuan kehidupan di seluruh dunia.
Oksigen yang dilepaskan ke atmosfer sangat penting untuk sebagian besar bentuk kehidupan di planet ini, selain itu juga membantu menjaga lapisan ozon yang melindungi planet dari radiasi ultraviolet yang merusak.
Organisme fotosintetik, baik darat maupun laut, dapat dianggap sebagai konvertor energi matahari berkelanjutan dan selalu dapat diperbarui. Fotosintesis tanaman saja memperbaiki sekitar 2 × 1011 ton karbon dengan kandungan energi 2 × 1021 Joule, yang mewakili sekitar 10 kali penggunaan energi tahunan dunia dan 200 kali konsumsi energi makanan kita. Besarnya dan peran fotosintesis sebagian besar tidak dihargai karena kita menggunakan sebagian kecil dari karbon tetap. Jangan dilupakan bahwa fotosintesis di masa lalu menyediakan semua sumber karbon fosil saat ini, yaitu batu bara, minyak, dan gas alam.
Dengan demikian, biomassa turunan fotosintesis yang ada dalam berbagai bentuk yang tersedia di lingkungan dapat dengan baik diubah menjadi bahan bakar penyimpanan dan bahan baku kimia, seperti bioetanol, biodiesel dan gas metana. Efisiensi aktual penangkapan energi matahari oleh tanaman hijau dapat mencapai 3–4%, tanaman fotosintesis yang lebih efektif seperti jagung, sorgum, dan terutama tebu menjadi sumber yang paling produktif.
Ketika tanaman ditanam untuk produksi biofuel, dapat dianggap sebagai bagian penting dari masyarakat yang terbarukan dan berkelanjutan. Terbarukan karena tanaman dapat dipanen dan ditanam kembali, dan berkelanjutan karena emisi karbon yang dihasilkan selama pembakaran diserap kembali oleh pertumbuhan tanaman baru. Dengan demikian, siklus dapat berlanjut tanpa batas.
Cadangan bahan bakar fosil memiliki sifat yang terbatas.
Istilah 'minyak puncak' digunakan untuk mengidentifikasi titik di masa depan ketika, misalnya, produksi minyak akan mencapai puncak dan mulai menurun. Terkait dengan peningkatan dramatis industrialisasi saat ini, misalnya di Cina dan India, hal ini menimbulkan tekanan ekonomi dan perdagangan yang meningkat untuk pasokan energi alternatif dan dapat diandalkan. Hal ini melampaui kekhawatiran dunia yang terus berlanjut tentang pemanasan global. Biomassa dapat dianggap sebagai sumber energi terbarukan, dan dapat diubah menjadi energi langsung atau senyawa pembawa energi dengan pembakaran langsung, sistem pencernaan anaerobik, distilasi destruktif, gasifikasi, hidrolisis kimiawi, dan hidrolisis biokimia.
b) Biofuel dari biomassa
Bioenergi (biofuel) pada dasarnya adalah produksi energi yang dapat terbakar/ dapat digunakan dari sumber biologis. Energi
tersebut bisa berupa bahan bakar cair, misalnya bioetanol dan biodiesel, bahan bakar gas seperti metana, atau energi panas padat langsung, misalnya kayu.
Beberapa tanaman berkayu yang dapat segera ditebang, dapat ditanam untuk menawarkan sumber bahan bakar langsung untuk digunakan sebagai pembangkit listrik untuk menghasilkan enenrgi listrik. Beberapa keberhasilan yang cukup besar diraih di luar negeri seperti Skandinavia dan Kanada. Di bagian lain Eropa dengan lahan pertanian yang sangat luas akibat pengurangan penanaman sereal, lahan tersebut telah digunakan untuk budidaya tanaman berkayu untuk produksi energi bahan bakar.
Tabel 3. Beberapa tanaman sumber energi biologis utama Tanaman penghasil gula Tebu: gula diekstraksi dan difermentasi menjadi
bioetanol.
Tanaman penghasil pati Jagung, barley, gandum, oat, singkong: pati dihidrolisis secara enzimatis menjadi gula dan difermentasi menjadi bioetanol.
Tanaman/ limbah selulosa
Jerami, ampas tebu, limbah kayu, pohon yang ditebang: hemiselulosa dapat dihidrolisis secara enzimatis menjadi gula dan difermentasi menjadi bioetanol.
Tanaman penghasil minyak
Rapeseed, biji rami, bunga matahari, minyak jarak, kacang tanah: minyak diekstraksi dan ditransesterifikasi menjadi biodiesel.
Sampah/ kotoran
organik Fermentasi mikroba yang kompleks menjadi metana/ metanol.
Tanaman energi padat Pohon yang ditebang, sorgum, alang-alang, rerumputan, Eucalyptus: pembakaran langsung sendiri atau dengan sumber konvensional lainnya, misalnya batu bara.
Inisiatif pengembangan tanaman non-pangan mendorong budidaya tanaman yang dapat diproses menjadi biofuel, bahan bangunan, pengemasan, bahan kimia khusus, dan obat-obatan.
Program serupa terjadi di negara-negara Uni Eropa lainnya yang menggunakan lahan yang disisihkan untuk mengurangi produksi berlebih tanaman pangan. Konversi biomassa menjadi bahan bakar yang dapat digunakan dapat dilakukan dengan cara biologis atau kimiawi atau dengan kombinasi keduanya. Produk akhir utamanya adalah metana, etanol, dan biodiesel, meskipun produk lain dapat muncul tergantung pada biomassa awal dan proses
yang digunakan, misalnya bahan bakar padat, hidrogen, gas berenergi rendah, metanol, dan hidrokarbon rantai panjang.
Konsep budidaya biomassa tanaman khusus untuk pasokan energi didasarkan pada fakta bahwa hasil karbon tetap yang jauh lebih tinggi dapat diperoleh dari metode penanaman yang direncanakan dengan baik daripada dari memanen tumbuhan alami atau mengumpulkan limbah pertanian atau industri.
Program tersebut kini sedang direncanakan dan dipraktikkan secara luas di banyak negara di seluruh dunia. Tebu dan jagung adalah dua tanaman utama yang sedang dikembangkan (terutama untuk produksi bioetanol) di Brazil, Australia, Amerika Serikat dan Afrika Selatan, di sisi lain program berbasis lignoselulosa pun sedang dikembangkan di Swedia, Kanada dan Amerika Serikat.
Dalam kasus terakhir, rencana sedang dibuat untuk menumbuhkan hutan untuk dikonversi menjadi bahan bakar cair.
Analisis biaya dari semua proses ini menawarkan dorongan yang cukup besar, khususnya dengan konversi tebu menjadi energi.
Perkebunan tanaman sumber energi diyakini akan memasok energi dalam jumlah yang berarti dalam waktu dekat. Masalah kekurangan air didorong dengan rendaahnya curah hujan yang paling sering menjadi faktor pembatas suksesnya perkebunan dalam kondisi intensitas radiasi matahari yang ideal, jam sinar matahari tahunan, musim dingin yang sejuk dan berlimpahnya lahan berkualitas baik. Di wilayah-wilayah tertentu di dunia mungkin saja perkebunan seperti itu akan cepat menjadi kenyataan, tetapi untuk sebagian besar negara pembangunan akan berpusat pada pemanfaatan limbah organik, yaitu pertanian, kota dan industri. Konversi menjadi biofuel bisa berfungsi sebagai pengganti energi minyak bumi dan sebagai bahan baku kimia (Luque et al., 2011; Virdis et al., 2011; Smith, 2009).
Pengolahan teknis biomassa tergantung pada banyak faktor, termasuk tingkat kelembaban dan kompleksitas kimiawi. Dengan bahan yang memiliki kadar air tinggi, pemrosesan air adalah normal untuk menghindari kebutuhan pengeringan substrat.
Fermentasi alkohol menjadi etanol, pencernaan anaerobik menjadi metana, serta reduksi kimiawi menjadi hidrokarbon berminyak, semuanya sangat dimungkinkan. Bahan dengan tingkat kelembaban rendah seperti kayu, jerami dan ampas tebu dapat dibakar untuk menghasilkan panas atau meningkatkan uap untuk pembangkit listrik. Secara umum semua itu mengalami proses termokimia seperti gasifikasi dan pirolisis untuk menghasilkan
senyawa kaya energi seperti gas minyak, arang dan akhirnya metanol dan amonia. Dapat pula diolah dengan alkali atau hidrolisis biologis. Produksi alkohol melalui fermentasi gula dan pati merupakan seni kuno dan sering dianggap sebagai salah satu proses mikroba pertama yang digunakan oleh manusia, yang secara kimiawi terjadi reaksi sebagai berikut:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + Energi
Produksi alkohol industri dengan fermentasi sangat mengandalkan pengetahuan yang terkumpul dari pembuat/
penyuling. Saat ini produksi alkohol oleh industri sebagian besar bersifat sintetis, yaitu non-mikroba, yang berasal dari proses petrokimia. Petrokimia etanol dibuat dengan hidrasi etena, dan penurunan produksi alkohol oleh mikroba, sehingga hmpir semua berasal dari produksi etena skala besar sejak tahun 1940-an.
Dalam 20 tahun berikutnya pengembangan pemecahan minyak bumi skala besar, produksi industri alkohol fermentasi turun di bawah produksi alkohol yang dapat diminum di sebagian besar negara industri. Jadi, di negara-negara yang secara teknologi lebih maju, etanol diproduksi dengan cara kimiawi Sekalipun pada beberapa negara berkembang di mana bahan baku murah tersedia, etanol masih diproduksi untuk keperluan industri dengan menggunakan teknik fermentasi tradisional.
Meskipun manfaat etanol sebagai bahan bakar cukup besar, karena bersifat hemat energi, tidak menghasilkan karbon monoksida beracun selama pembakaran sehingga jauh lebih sedikit mencemari dibanding bahan bakar konvensional, dan masih lebih murah untuk memproduksi etanol dari minyak secara kimiawi daripada dengan proses fermentasi sebagaimana harga minyak saat ini. Dengan cara ini, penggunaan etanol, seperti halnya bahan bakar alternatif lainnya, secara ekonomi terhambat di negara-negara industri hingga harga minyak kembali naik. Tidak dapat dipungkiri bahwa hal itu akan terjadi, walaupun masih sulit untuk diprediksi. Namun, kekhawatiran dunia tentang pemanasan global perlahan dan pasti secara dramatis akan mempengaruhi pilihan bahan bakar.
Perubahan dramatis dalam ekonomi produksi alkohol akibat kenaikan besar-besaran harga minyak mentah dunia terjadi sejak tahun 1970-an. Sementara harga minyak telah meningkat lebih dari empat kali lipat sejak tahun 1975, harga karbohidrat murah yang sesuai telah meningkat jauh lebih sedikit secara rata-rata.
Negara-negara pengimpor minyak sangat ingin mengurangi biaya
impor dan banyak negara yang akhirnya mengambil langkah alternatif dengan mensubsidi bahan bakar yang diproduksi dalam negeri. Karena etanol dapat digunakan sebagai bahan bakar formotor pengganti parsial atau lengkap dan juga dapat dengan mudah diubah menjadi etena dan senyawa terkait, produksinya dari sumber daya asli dan terbarukan sekarang menjadi strategi alternatif yang menarik untuk dikembangkan.
Secara historis, etanol dan metanol digunakan secara luas sebagai bahan bakar motor di Eropa sebelum Perang Dunia II dan, memang, mobil model T Henry Ford dirancang untuk beroperasi dengan alkohol, bensin, atau campuran apa pun di antaranya.
Proses bioteknologi yang luas beroperasi di berbagai negeri, mengubah tebu dan singkong menjadi bioetanol dengan fermentasi ragi. Program Etanol Nasional Brasil misalnya yang dikenal sebagai proalcool merupakan tanggapan atas guncangan minyak pada tahun 1970-an dan kini telah berhasil mengurangi ketergantungan negara tersebut pada bahan bakar fosil. Bioetanol sekarang menyumbang 40% dari bahan bakar motor Brasil.
Program etanol Brasil mencapai kejayaan dengan output produksi sekitar 5 miliar liter etanol pada awal 1980-an kini melejit dengan cepat menjadi 15 miliar liter pada tahun 2005. Keberhasilan Brasil yang tidak diragukan lagi dalam memelopori produksi 'green-bensin' tersebut akhirnya menarik minat dunia, terutama di antara negara-negara yang lebih miskin dengan iklim dan lahan yang sangat memadai untuk menanam tanaman sumber bahan bakar mereka sendiri dan memiliki keterbatasan dalam ketercukupan dengan mata uang tuntuk membeli minyak. Bahkan negara majupun, seperti Australia, AS, Swedia, dan Kanada, ikut mengembangkan proses produksi etanol biologis ekstensif yang memanfaatkan surplus pertanian atau limbah kehutanan yang relatif besar dan kurang termanfaatkan sebelumnya.
Tiga miliar Liter bahan bakar alkohol difermentasi di AS dari jagung pada tahun 1987 dan sepertiga dari seluruh bensin yang tersedia di Amerika adalah 10% etanol atau gasohol yang berasal dari limbah pertanian dan kehutanan. Para pemangku kepentingan Brasil kemudian memperkirakan bahwa seluruh kebutuhan bensin negara mereka dapat dipenuhi dari menanam 0,3% dari luas negara mereka dengan tanaman penghasil alkohol.
Lebih dari 500 pabrik fermentasi dan destilasi telah dibangun di berbagai penjuru negeri yang bertujuan untuk memproses tanaman yang diproduksi sepanjang tahun. Surplus tambahan yang diperoleh untuk pembangkit energi adalah tersedianya lebih
dari 700.000 lapangan pekerjaan secara langsung yang baru dan 300.000 lapangan pekerjaan tidak langsung di daerah pedesaan Brasil.
Namun, skenario ekonomi untuk program bioetanol Brasil dipengaruhi oleh harga minyak dunia dari masa ke masa. Pada tahun 1985, produksi etanol telah meningkat menjadi 12 miliar liter dan pada tahun 1988, 88% mobil baru menggunakan mesin etanol. Produksi etanol relatif stabil sekitar 12 miliar liter pada tahun 1990-an, dan sejuh itu penggunaannya sangat signifikan meningkatkan perekonomian nasional di Brazil.
Ada banyak keuntungan tidak langsung bagi Brasil dalam menggunakan bioetanol sebagai pengganti bensin. Selain ada pengurangan yang pasti dalam kontribusinya terhadap pemanasan global. Penambahan bioetanol anhidrat ke bensin terbukti mampu menekan kebutuhan untuk meningkatkan oktan demi menaikkan peringkat oktan. Penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa mesin bertenaga etanol menghasilkan 57% lebih sedikit karbon monoksida, 64% lebih sedikit hidrokarbon, dan 13% lebih sedikit oksida nitrat daripada kendaraan bertenaga bensin.
Armada mobil bahan bakar fleksibel di Brasil adalah satu-satunya negara di dunia yang dapat menggunakan 100% bioetanol atau green-bensin. Pertimbangan ekonomi terus berubah demi produksi bioetanol, dengan antisipasi fluktuasi harga minyak di masa depan dan konsep desain baru untuk mesin berbasis bioetanol. Lebih jauh lagi, pada aspek global, produksi green-bensin akan membantu mengurangi beban negara terhadap tekanan dari produk minyak bagi seluruh dunia, mengurangi ketegangan persaingan dan bahkan mungkin perang. Program bioetanol untuk bahan bakar tersebut memerlukan investasi modal yang besar dan akan sesuai dengan kebutuhan skala besar dan tidk cukup dengan sistem pertanian skala kecil, di mana produk metana lebih cocok untuk diproduksi secara massal.
Untuk menyediakan gula yang dapat difermentasi yang diperlukan, sebagian besar bahan mentah memerlukan beberapa tingkat perlakuan awal, tergantung pada komposisi kimianya.
Dengan tebu, perawatan ini minimal dan terutama terdiri dari operasi penggilingan biasa, sedangkan jagung atau singkong, yang mengandung pati, memerlukan tindakan zat sakarifikasi yang sesuai - baik hidrolisis asam atau hidrolisis enzim. Bahan baku selulosa seperti kayu dan jerami membutuhkan perlakuan awal
yang lebih ekstensif, dan ini tercermin dari peningkatan input energi yang dibutuhkan.
Tabel 4. Potensi bahan baku untuk produksi bahan bakar etanol Mengandung pati Mengandung selulosa Mengandung gula Lainnya Sereal:
Peningkatan ekonomi global melalui pengembangan produk etanol fermentasi dari budidaya tanaman tertentu di negara berkembang akan memperoleh dukungan secara tidak langsung oleh perluasan pertanian, dn bermuara pada terciptanya lebih banyak lapangan kerja, karena harga minyak akan terus melampaui bahan baku pertanian, dan karena teknologi baru dalam produksi bahan bakar etanol akan menciptakan penguatan ekonomi yang berkelanjutan. Terhadap volume limbah atau sisa dari produksi alkohol yang dihasilkan dalam jumlah yang sangat besar, terus dilakukan upaya pencarian pengolahan menjadi produk akhir yang bermanfaat. Beberapa produk yang dapat diharapkan dari pengolahan limbah tersebut diantaranya:
(1) bahan pengolahan pakan atau pupuk dalam pertanian (2) mineralisasi menjadi abu
(3) fermentasi anaerobik untuk menghasilkan metanol (4) konversi mikroba menjadi Protein Sel Tunggal (PST).